氮气膨胀制冷天然气液化工艺研究.pdf

第 4 4卷第 1期 2 0 1 5年 1月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ．4 4． N 0 ． 1 J a n u a r y，2 0 1 5 氮气膨胀制冷天然气液化工艺研究 王志刚，贾绪平，张 琪 山东实华天然气有限公司，山东 青岛 2 6 6 0 0 1 摘 要 通过对氮气膨胀制冷天然气液化工艺进行模拟和分析，得到各关键参数对该液化系统的液化率和 比功率的变化情况 随着原料气压力增大，液化率和比功率分别呈近线性增大和减小 ，原料气温度的影响与之 相反 ；制冷剂高压压力增加或制冷剂低压压力减小时，液化率均呈现上升趋势，但上升幅度有所减小；比功率 呈先减小后增大势态 ， 即存在一个低点使得比功率最小。 合理选择制冷剂高压压力和制冷剂低压压力具有优化 价值 ；循环制冷剂温度或 L NG储存压力升高 ，液化率线性增大，比功率显著降低。 关键词 天然气；膨胀制冷；L N G；工艺；模拟；分析 中图分类号T E 6 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 1 0 1 7 0 0 4 Re s e a r c h o n Na t ur a l Ga s Li que f a c t i o n Pr o c e s s W i t h Ni t r o g e n Ex pa ns i o n Re f r i g e r a t i o n W A NG Z h i - g a n g ，J I A Xu - p i n g ，Z H A NG Q i S h a n d o n g S h i h u a N a t ura l G a s C o m p a n y , S h a n d o n g Q i n g d a o 2 6 6 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e n a t u r a l g a s l i q u e f a c t i o n p r o c e s s wi t h N2 e x p a n s i o n r e f r i g e r a t i o n wa s s i mu l a t e d a n d a n a l y z e d ； e f f e c t s o f t h e k e y p a r a me t e r s o n t h e l i q u e f a c t i o n s y s t e m we r e i n v e s t i g a t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t ， wi t h i n c r e a s i n g o f t h e f e e d g a s p r e s s u r e ，l i q u e fi e d r a t e a n d s p e c i fic p o we r n e a r l y l i n e a r l y i n c r e a s e a n d d e c r e a s e ， r e s p e c t i v e l y ； Th e i n f l u e n c e o f r a w ma t e r i a l t e mp e r a t u r e o n the l i q u e f a c t i o n s y s t e m i s i n v e r s e ；wh e n r e f r i g e r a n t h i g h - p r e s s u r e p r e s s ur e i n c r e a s e s o r r e f r i g e r a n t l o w p r e s s ur e r e d u c e s ， t h e l i q u e f a c t i o n r a t e s t e n d t o r i s e ， t h e s p e c i fi c p o we r d e c r e a s e s fi r s t a n d t h e n i n c r e a s e s ． a n d t h e r e i s t h e mi n i mu m s p e c i fic p o we r ．S e l e c t i n g r e f r i g e r a n t h i g h p r e s s u r e an d l o w p r e s s ure r e f r i g e r a n t h a s a n o p t i mi z e d v a l u e ； Wi t h i n c r e a s i n g o f c i r c u l a t i n g r e fri g e r a n t t e mp e r a t u r e o r L NG s t o r a g e p r e s s u r e ． 1 i q u e fi e d r a t e l i n e a r i n c r e a s e s a n d t h e s p e c i fi c p o we r s i g n i fic a n t l y d e c r e a s e s ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s ； Ex p a n s i o n r e f r i g e r a t i o n ； L NG； P r o c e s s ； S i mu l a t i o n ； An a l y s i s 天然气 以其高效 、优质和清洁等特 l生备受到重 视 。天然气经过脱 酸脱水处理达到相关要求后在低 温下液化 ，形成液化天然气 L i q u e f i e d N a t u r a l G a s ， 简称 L N G o液化天然气较天然气具有体积小，便 于输送和应用的特点 ，适合 于长距离贸易、回收边 远天然气等情况。此外，液化天然气还可用于城市 调峰装置n l ，减轻城市不同季节 、不 同月份甚至不 同时间段的用气不均现象。正因为液化天然气特有 的优点，国际天然气市场对液化天然气的需求不断 增强。我国若能满足 国内对液化天然气的供应 ，还 能实现液化天然气出口，其经济效益将十分明显。 天然气液化装置一般可以分为基本负荷型和调 峰型两大类 。考虑到边远地区气田或气 田开发后期 天然气气量较小，小型液化装置或撬装式液化装置 成为研究的重点和热点圈 。小型液化装置属于调峰 型装置的一种。 本文对 N z 膨胀机天然气液化流程进 行模拟和分析，确定流程关键参数对流程性能 液 化率和比功耗 的影响 。 1 N 膨胀制冷液化流程 天然气液化一般包括预处理 又称天然气净化 和低温液化两部分。其中低温液化是核心。 1 ． 1 预处 理 一 般先将原料天然气经过脱酸脱水处理除去液 化过程 中的不利组分 如酸性组分 、水分、较重烃 类及汞等 达到要求后，进入制冷系统的板式换热 器不断降温，使温度降低到一 1 6 3℃左右 ，即可得 到 L N G产品。 1 ． 2 N 膨胀制冷液化 N 膨胀制冷液化流程 如图 1所示 由两部 分组成 天然气 吸收冷量液化和 N z 循环制冷系统 N z 为制冷剂 。制冷剂依次经冷剂压缩机一 1 、 空 冷器一 1 、 冷剂压缩机一 2 、 空冷器一 2实现两级压缩和 两级冷却后进入换热器一 1 高效板式换热器 再次 降温，增强膨胀机膨胀制冷效果。N z 经膨胀机膨胀 后温度非常低 。然后进入换热器一 2和换热器一 1与 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 6 2 6 ． ． 作者简介王志刚 1 9 7 2 一 ，男， 河南许昌人，毕业于中国石油大学 华东 ，从事于天然气集输与液化方面工作。E - m a i l w _ z h i g a n g 4 5 1 6 3 ． c 0 m 。 第 4 4卷第 l期 王志刚，等氮气膨胀制冷天然气液化工艺研 究 l 7 1 原料天然气逆流为其提供冷量。最后又进入压缩系 温度附近。节流后的天然气在分离器作用下，分离 统实现循环。原料天然气经过两段板式换热器后温 液态的液化天然气和气态的极低温天然气 ，气态天 度逐渐降低，最后在节流阀作用下，温度降至冷凝 然气则经过两段换热器为原料天然气提供冷量。 进 廪 图 1 N 膨胀 制冷 液化 工艺流程 F i g ． 1 N2 e x p a n d e r l i q u e f a c t i o n pr o c e s s 2 初始条件 在模拟分 析之前需要给定研究 工况 的初始条 件 假设液化的原料天然气为某长输管道所输气体 具体见表 1 ， 进料温度为 3 0℃， 进料压力为4 5 0 0 k P a ，流量为 2 2 3 1 k m o l ／ h 。模拟 中的原料天然气和 冷剂 N 的物性计算均采用 P e n g R o b i n s o n 方程 ～ 。 表 1 进料天然气组成 Ta b l e 1 F e e d n a t u r a l g a s c o m p o s i t i o n s ％ mo 1 3 N 膨胀制冷液化流程工艺分析 这里 主要讨论影响 N 膨胀制冷液化流程 的主 要参数 进料原料气温度和压力 ， 冷剂高压压力 物 流 1 2压力 和低压压力 物流 1 6压力 ， 冷剂循环 温度 物流 1 8温度 以及液化天然气 的储存压力对 液化率和比功率的影响情况。其中，液化率 液化 天然气流量／ 原料天然气流量 1 0 0 ％；比功率 压 缩机总功耗一 膨胀机总输出功 ／ 液化天然气流量。 3 ． 1 原料气压力 在保证流程持续收敛的条件下，仅仅改变原料 气压力得到，原料气压力对工艺液化率和比功率的 变化情况 ，如图 2 所示。可 以看 出，随着原料气压 力增大 ， 液化率和比功率分别呈近线性增大和减小。 因此在实现中，在满足设备要求前提下尽量提高压 力有利于系统的优化运行。但另一方面原料气压力 的增大会需要额外的能量的输入。因此该装置非常 适用于高压长输天然气管道气制冷液化。 原料气压力／ k P a 图 2 原料气压 力对液化 率和比功耗的影响 F i g ． 2 I n flu e n c e o f i n l e t g a s p r e s s u r e o n l i q u e f a c t i o n r a t e a n d s pe c i ficp o we r 3 ． 2 原料气温度 改变原料气温度得到该系统液化率和比功率的 变化情况 ，如图 3所示。可以看出，随着原料气温 度升高 ，比功率增大 ，且变化幅度也有所增大 ，即 对于比功率来说，高温较低温更敏感。液化率则随 着原料气温度升高而降低。因此在对工艺进行优化 时适当降低原料气温度有助于系统的运行，但一般 该温度取决于天然气来源。 3 ． 3 制冷剂高压压力 在保证流程持续收敛的条件下，仅仅改变冷剂 经两级压缩后的高压压力 物流 1 2 得到， 剂高压 压力对工艺液化率和 比功率 的变化情况 ，如图 4所 示。可以得到随着制冷剂高压压力增加，液化率 呈现上升趋势 ，但上升幅度有所减小 ，即在较高压 1 7 2 当 代 化 工 2 0 1 5 年 1月 力下， 压力对液化率的影响较小； 同时比功率随着冷 剂高压压力增大呈现先急剧减小后显著增大的势态 ， 即存在一个低点使得比功率最小。 综合液化率和比功 率的变化 隋况， 认为制冷剂高压压力的选择对系统的 优化运行来说显得比较重要。 这里可以认为当制冷剂 高压压力为3 0 0 0 ～ 4 0 0 0 k P a 时效果较好。 图 3 原料气 温度对液化率和比功耗 的影 响 Fi g ． 3 I nflue nc e of i nl e t ga s t e mpe r at ur e o n l i q ue f ac t i on r at e a n d s p e c i fic p o we r 冷剂高压压 力／ k P a 图 4 冷剂高压压力对液化率和比功耗影响 F i g ． 4 I n fl u e n c e o f r e f r i g e r a n t h i g h p r e s s u r e o n l i q u e f a c t i o n r a t e a n d s p e c i fi c p o we r 图 5 冷剂低压压力对液化率和比功耗影响 Fi g ． 5 I n flu e nc e o f r e f r i g e r a n t l o w p r e s s u r e o n l i q u e f a c t i o n r a t e a nd s pe c i fic po we r 3 ． 4制冷剂低压压力 仅改变冷剂经膨胀机膨胀后的低压压力 物流 1 6 得到，剂高压压力对工艺液化率和比功率的变 化情况 ，如图 5所示 。可 以得到 随着制冷剂低压 压力降低，液化率近线性增大；同时比功率随着冷 剂低压压力降低呈现先减小后增大的趋势 ，即存在 一 个低点使得 比功率最小 。综合 以上情况可以认为 制冷剂低压压力的选择有利于系统的优化运行。 3 ． 5 循环冷剂温度 循环制冷剂温度即物流 1 8温度 。改变物流 1 8 温度得到该系统液化率和比功率 的变化情况 ，如图 6 所示。可以看出，随着循环制冷剂温度升高，液 化率线性增大 ，比功率显著降低 。因此提高循环制 冷剂温度有利于系统的运行。 图6 循环制冷剂温度对液化率和比功耗影响 F i g ． 6 I n fl u e n c e o f c y c l e r e f r i g e r a n t t e m p e r a t u r e O i l l i qu e f a c t i o n r a t e a n d s p e c i fic p o we r 3 ． 6 L N G储存压力 如图 7 ，随着 L N G储存压力 即图 l中液化天 然气压力 增加，液化率和比功耗分别呈上升和降 低趋势。 当 L N G储存压力增加 ， 天然气液化量增加 ， 易被液化 。但是随着储存压力的增大储罐造价。一 般液化天然气储存压力为 0 ． 1 ～0 ． 8 MP a 。现实中要 综合考虑造价成本和液化情况决定 L N G储存压力。 图 7 L N G储存压 力对 比功耗和液化率影响 Fi g ． 7 I n flu e n c e o f LNG s t o r a g e p r e s s u r e o n l i q u e f a c t i o n r a t e a n d s pe c i fic p o we r 4 结 论 通过对 N 膨胀制冷天然气液化流程进行了模拟 和分析 ，确定进料原料气温度和压力 ，冷剂高压压 力 物流 1 2压力 和低压压力 物流 l 6压力 ，冷 第4 4卷第 1期 王志刚，等氮气膨胀制冷天然气液化工艺研究 1 7 3 剂循环温度 物流 1 8 温度 以及液化天然气的储存 压力对液化率和比功率的影响情况。得到如下结论。 1 随着原料气压力增大，液化率和比功率 分别呈近线性增大和减小 ；原料气温度对液化系统 的影响相反 ； 2制冷剂高压压力增加或制冷剂低压压力 减小时，液化率均呈现上升趋势，但上升幅度有所 减小；比功率则先减小后增大的势态，即存在一个 低点使得 比功率最小 。合理选择制冷剂高压压力和 制冷剂低压压力具有优化价值 ； 3 循环制冷剂温度升高 ，液化率线性增大 ， 比功率显著降低； 4L N G 储存压力增加 ，液化率和比功耗分 别呈上升和降低趋势， 但现实中需要综合考虑 L N G 储罐造价确定。 参考文献 [ 1 ] 论立勇， 谢英柏，杨先亮． 基于管输天然气压力能回收的液化调峰 方案[J 】 ．天然气工业， 2 0 0 6 ， 2 6 7 1 1 4 1 1 6 ． [ 2] 徐文渊．小型液化天然气生产装置『 J 1 l 石油与天然气化工 ，2 0 0 2 ， 3 4 3 1 6 1 1 6 4 ． [ 3 J R e me l j e j C W， H o a d l e y A F A ． A n e x e r g y a n a l y s i s o f s ma l l - s c a l e l i q u e f i e d n a t u r a l g a s L N G l i q u e f a c t i o n p mc e s s e s [ J ] ． E n e r g y ，2 0 0 6 ， 3 1 1 2 2 0 0 5 2 0 1 9 ． [ 4] 万字飞，邓道明，刘人玮，等． 利用系统压差膨胀液化天然气流程 模拟[ J 1 _ 天然气与石油， 2 0 1 3 ， 3 1 4 3 3 3 6 ． [ 5]唐迎春 ，陈保东， 等．P R 方程在天然气热物性计算中的应用f J ] ． 石油化工高等学校学报 ，2 0 0 5 ，1 8 2 1 4 7 4 9 [ 6 ]曹文胜，吴集迎， 等．撬装型混合制冷剂液化天然气流程的热力学 分析[ J ] ．化工学报 ，2 0 0 8 ，5 9 s 2 5 3 5 9 ． [ 7]王文军， 杜建梅，蒋建志，等．煤层气氮膨胀制冷液化工艺参数优 化计算f J ] ． 煤气与热力， 2 0 1 0 ， 3 0 3 9 - 1 2 ． 上接 第 1 6 9页 在常顶和减顶 中间罐 瓦斯 出 口增加一组调节 阀和压控阀 ，在调节阀后管线引入分液罐 ，经切液 后进入压缩机入 口，压缩机出口接人装置初顶瓦斯 管线 ，同初顶瓦斯一起进入分液塔进行切液 ，然后 到碳三装置进行轻烃回收。 保留分液塔到常压炉的 原流程 ，在碳三装置操作异常时，可将三顶瓦斯改 进常压炉燃烧，待碳三装置恢复正常后重新改回， 压缩机缓冲罐中的瓦斯凝液可接入汽油泵进口。 4结论 “ 三顶”瓦斯 回收系统正常投用以后 ，通过四 合一气体检测仪对高放空检测对比如表 4 。 表 4 “ 三顶”瓦斯回收技术投用前后气体组分对比 Ta bl e 4 Gas c ompos i t i on c ont r a s t i n be f o r e a nd af t e r t e c hni c al r e f c Ir m 由表 4可以看出，瓦斯 回收系统投用后 ，放空 气体中不存在硫化氢气体及可燃性气体。 系统投用后常顶瓦斯引入加热炉作为燃料， 每 年可减少高压瓦斯用量 8 2 8 t ，回收常顶瓦斯凝液 1 0 0 0 t ，每年可节省毛利 4 0 0余万元。 减少瓦斯费用 8 2 8 6 6 8 5 5 ． 3 1 0 4 万元 增加拔头油经济效益 1 O 0 0 x 4 0 0 0 4 0 0 万元 参考文献 [ 1 ] 金丽萍．上海石化常减压装置瓦斯现状分析与治理[ J 】 ． 石油化工技 术与经济， 2 0 1 2 5 2 7 3 0 ． [ 2] 何小龙， 李善建． 常减压装置三顶瓦斯回收系统运行分析与探讨 [ J ] ．化工技术与开发， 2 0 0 8 8 5 1 5 2 ．0 ． [ 3] 张浩， 李正强， 陈洪岩． 常减压蒸馏装置两顶瓦斯及酸性水回收节 能改造『 J 1 ． 石油和化工设备， 2 0 1 7 7 7 8 8 1 ． [ 4]张 德 义 ．含 硫 含 酸原 油 加 工 技 术 进 展 [ J ] ．炼 油 技 术 与 工 程。2 0 1 2 1 1 1 3 ． [ 5]汤吉海， 马正飞， 魏瑞平．原油蒸馏过程的模拟与分析啪． 南京工 业大学学报旧 然科学版 ，2 0 0 4 1 8 3 8 8 ． 岛津新型高效液相色谱仪器在 中国市场推出 岛津公司宣布，即日起，其在中国市场正式推出岛津 i - S e r i e s 系列高效液相色谱仪 N e x e r a i L C 一 2 o 4 0 产品。 岛津研 发 的 i - S e r i e s系列 高效液 相色谱 仪可 用于 常规及超 快速 L c 分 析 ，其 包括 P r o m i n e n c e i L C 一 2 0 3 0 和 N e x e r a i L C 一 2 0 4 0 ，均为一体化高效液相色谱系统，不同的是 ，N e x e r a i L C 一 2 0 4 0 仪器的系统耐受压力更高。 得益于先进的色谱柱技术，岛津 i - S e r i e s系列高效液相色谱仪所拥有的 “ 核壳色谱柱” ，无需超高压即可提供非常好的 性能。操作简单且性能稳定的超高效液相色谱系统能够更好的利用 “ 核壳色谱柱”提高实验室效率 、 缩短方法开发与转移时 间，而其分析速度快、环境负荷小、简便易维护的特点 ， 也使得超高效液相色谱系统的应用更加广泛。